Przetwornik analogowo-cyfrowy: praca, typy, 7 aplikacji

Treść

· Przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC)

· Zasada działania przetwornika analogowo-cyfrowego

· Symbol elektryczny przetwornika analogowo-cyfrowego

· Rodzaje przetworników analogowo-cyfrowych i wyjaśnienia

· Zastosowania przetwornika analogowo-cyfrowego

· Testowanie przetwornika analogowo-cyfrowego

· Układ scalony ADC

Definicja i przegląd przetwornika analogowo-cyfrowego

Przetwornik analogowo-cyfrowy to urządzenie elektroniczne. Jak sama nazwa wskazuje, dostarczony sygnał analogowy jest konwertowany na sygnał cyfrowy, który jest wytwarzany na wyjściu. Sygnały analogowe, takie jak głos nagrany przez mikrofon, można przekształcić w sygnał cyfrowy za pomocą konwertera analogowo-cyfrowego. 

Przetwornik analogowo-cyfrowy jest również znany jako przetwornik ADC i przetwornik A-D itp.

Działanie przetwornika analogowo-cyfrowego

Sygnał analogowy jest definiowany jako sygnał ciągły w czasie i o ciągłej amplitudzie. Jednocześnie sygnał cyfrowy jest definiowany jako sygnał o dyskretnym czasie i dyskretnej amplitudzie. Sygnał analogowy jest konwertowany na sygnał cyfrowy za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego. ten transformacja ma kilka kroków, jak próbkowanie, kwantyzacja i inne. Proces nie jest ciągły; zamiast tego jest okresowy i ogranicza dopuszczalną szerokość pasma sygnału wejściowego.

Przetwornik analogowo-cyfrowy działa w oparciu o Nyquist-Shannon Twierdzenie o próbkowaniu. Stwierdza, że ​​– sygnał wejściowy można odzyskać z próbkowanego wyjścia, jeśli częstotliwość próbkowania jest dwukrotnie większa lub równa najwyższej składowej częstotliwości występującej w sygnale wejściowym.

Istnieje kilka parametrów do pomiaru wydajności przetwornika analogowo-cyfrowego. Szerokość pasma sygnału wyjściowego, stosunek sygnału do szumu to tylko niektóre parametry.

Symbol elektryczny ADC

Poniższy symbol przedstawia przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC).

Rodzaje przetworników analogowo-cyfrowych

Konwersję wejściowych sygnałów analogowych na sygnały cyfrowe można osiągnąć za pomocą różnych procesów. Omówmy niektóre z typy szczegółowo -

A. Flash ADC

Flash ADC jest znany jako konwerter analogowo-cyfrowy typu bezpośredniej konwersji. Jest to jeden z najszybszych typów przetworników analogowo-cyfrowych. Zawiera szereg komparatorów z zaciskami odwracającymi podłączonymi do drabinki dzielnika napięcia i zaciskami nieodwracającymi podłączonymi do analogowego sygnału wejściowego.

Jak pokazuje obwód, drabina dobrze dobranych rezystorów jest połączona z napięciem odniesienia lub progowym. Na każdym odczepie drabinki rezystorów używany jest komparator. Następnie następuje faza wzmocnienia, a następnie kod jest generowany jako wartości binarne (0 i 1). Używany jest również wzmacniacz. Wzmacniacz wzmacnia różnicę napięcia z komparatorów, a także tłumi przesunięcie komparatora.

Jeśli zmierzone napięcie jest powyżej napięcia progowego, wyjście binarne będzie równe jeden, a jeśli zmierzone napięcie jest mniejsze niż praca binarna będzie wynosić 0.

Niedawno ulepszone przetworniki ADC są modyfikowane za pomocą cyfrowych systemów korekcji błędów, kalibracji przesunięcia, a także mają mniejszy rozmiar. Przetworniki ADC są teraz dostępne w układach scalonych (IC).

Ten typ przetworników analogowo-cyfrowych ma wysoką częstotliwość próbkowania. Dzięki temu ma zastosowania w urządzeniach o wysokiej częstotliwości. Wykrywanie za pomocą radarów, radiotelefonów szerokopasmowych, różnego sprzętu badawczego to tylko niektóre z nich. Pamięć NAND Flash wykorzystuje również konwertery analogowo-cyfrowe typu flash do przechowywania do 3 bitów w komórce.

Przetworniki ADC typu flash są najszybsze pod względem szybkości działania, proste w obwodach, a konwersja zachodzi w sposób ciągły, a nie sekwencyjny. Jednak wymaga to znacznej liczby porównań niż różne typy ADC.

B. Kolejne przybliżenie typu ADC

Kolejny typ aproksymacji ADC to inny typ przetwornika analogowo-cyfrowego, który wykorzystuje przeszukiwanie binarne poprzez poziomy kwantyzacji przed konwersją do domeny cyfrowej.

Cały proces podzielony jest na różne podprocesy. Istnieje obszerny i podtrzymujący obwód, który pobiera wejście analogowe Vin. Następnie jest komparator porównujący wejściowe napięcie analogowe z wewnętrznym przetwornikiem cyfrowo-analogowym. Istnieje również rejestr aproksymacji sukcesywnej (SAR), który pobiera dane wejściowe jako impuls zegarowy i dane komparatora.

SAR jest inicjalizowany głównie po to, aby MSB (najbardziej znaczący bit) miał stan logiczny wysoki lub 1. Ten kod jest dostarczany do przetwornika cyfrowo-analogowego, który dodatkowo zapewnia analogowy odpowiednik obwód komparatora w porównaniu z próbkowanym analogowym sygnałem wejściowym. Jeśli napięcie jest większe niż napięcie wejściowe, komparator resetuje bit. W przeciwnym razie bit zostanie pozostawiony bez zmian. Następnie kolejny bit jest ustawiany na cyfrowy i cały proces jest powtarzany, aż do sprawdzenia każdego bitu rejestru sukcesywnej aproksymacji. Końcowym wyjściem jest cyfrowa wersja analogowego sygnału wejściowego.

Dostępne są dwa typy przetworników analogowo-cyfrowych typu sukcesywnej aproksymacji. Są to - typ licznika i typ śledzenia serwomechanizmu.

Te typy ADC dają najdokładniejsze wyniki niż inne typy ADC.

C. Typ integrujący ADC

Jak sama nazwa wskazuje, ten typ przetworników ADC przekształca analogowy sygnał wejściowy o ciągłym czasie i ciągłej amplitudzie na sygnał cyfrowy za pomocą integratora (integratora) w celu zastosowania wzmacniacz operacyjny który pobiera zwykły sygnał wejściowy i daje zintegrowany czasowo sygnał wyjściowy).

Niezidentyfikowane analogowe napięcie wejściowe jest przyłożone do zacisku wejściowego i pozwala na jego narastanie przez pewien okres, znany jako okres rozruchu. Następnie do obwodu integratora przykładane jest ustalone napięcie odniesienia o przeciwnej polaryzacji. To również może narastać do momentu, gdy integrator da na wyjściu zero. Ten czas jest nazywany okresem wycofywania.

Czas wybiegu jest zwykle mierzony w jednostkach zegara ADC. Zatem dłuższy czas integracji skutkuje wyższą rozdzielczością. Szybkość tego typu konwertera można poprawić, kompromisując z rozwiązaniem.

Ponieważ prędkość i rozdzielczość są odwrotnie proporcjonalne, tego typu konwertery nie znajdują zastosowań do cyfrowego przetwarzania sygnału ani przetwarzania dźwięku. Najlepiej jest stosować je w cyfrowych miernikach pomiarowych (amperomierzach, woltomierzach itp.) I innych przyrządach, w których ważna jest wysoka dokładność.

Ten typ przetworników ADC ma dwa rodzaje - równoważący ładunek przetwornik analogowo-cyfrowy i przetwornik ADC o podwójnym nachyleniu.

D. Wilkinsona ADC

- DH Wilkinson jako pierwszy zaprojektował ten typ przetwornika analogowo-cyfrowego w roku 1950.

Najpierw ładowany jest kondensator. Komparator sprawdza ten warunek. Po osiągnięciu tego określonego poziomu kondensator zaczyna się teraz liniowo rozładowywać, wytwarzając sygnał rampy. W międzyczasie inicjowany jest również impuls bramki. Impuls bramki pozostaje włączony przez resztę czasu, podczas gdy kondensator się rozładowuje. Ten impuls bramki dalej steruje liniową bramką, która dodatkowo odbiera sygnał wejściowy z zegara oscylatora o wysokiej częstotliwości. Teraz, gdy impuls bramki jest włączony, rejestr adresowy zlicza kilka impulsów zegara.

E. Przetwornik analogowo-cyfrowy z rozciąganiem czasu (TS - ADC):

Ten typ przetwornika analogowo-cyfrowego działa w oparciu o połączoną technologię elektroniki i innych technologii.

Może zdigitalizować sygnał o bardzo dużej szerokości pasma, którego nie można wykonać za pomocą zwykłego przetwornika ADC. Jest to często określane jako „fotoniczny digitalizator rozciągający w czasie”.

Jest nie tylko analogowy do cyfrowego, ale jest również używany do wysokoprzepustowego sprzętu czasu rzeczywistego, takiego jak obrazowanie i spektroskopia.

Istnieje kilka innych typów innych przetworników analogowo-cyfrowych.

• Przetwornik ADC z kodowaniem Delta
• Pipelined ADC,
• Sigma-delta ADC,
• ADC z przeplotem czasowym itp.

Co to jest DAC? Dowiedz się więcej o konwerterze cyfrowo-analogowym! Kliknij, aby wiedzieć!

Zastosowania ADC

Przetwornik analogowo-cyfrowy to jedno z najważniejszych urządzeń elektronicznych współczesnej epoki. To era cyfryzacji, ale nasz świat jest analogiczny w czasie rzeczywistym. Konwersja danych analogowych w domenie cyfrowej to potrzeba tej godziny. Dlatego są tak ważne. Niektóre ze znaczących zastosowań ADC to: 

A. Cyfrowe przetwarzanie sygnału

– Konwertery analogowo-cyfrowe są niezbędne do edycji, modyfikacji, przetwarzania, przechowywania i przenoszenia danych z pola analogowego do obszaru cyfrowego. Mikrokontrolery, oscyloskopy cyfrowe i krytyczne oprogramowanie znajdują zastosowanie w tej dziedzinie. Urządzenia takie jak oscyloskopy cyfrowe może przechowywać przebiegi do późniejszego wykorzystania, podczas gdy oscyloskop analogowy nie.

B. Mikrokontrolery

- Mikrokontrolery sprawiają, że urządzenie jest inteligentne. Obecnie prawie wszystkie mikrokontrolery mają wewnątrz przetworniki analogowo-cyfrowe. Najczęstszym przykładem może być Arduino. (Jest zbudowany na mikrokontrolerze ATMega328p) Arduino zapewnia użyteczną funkcję „analogRead ()”, która pobiera analogowe sygnały wejściowe i zwraca dane cyfrowe generowane przez ADC.

C. Przyrządy naukowe

- ADC są przydatne do tworzenia różnych niezbędnych instrumentów i systemów elektronicznych. Przykładem jest obrazowanie cyfrowe do digitalizacji pikseli, technologii radarowych i wielu systemów teledetekcyjnych. Urządzenia takie jak czujniki wytwarzają sygnał analogowy do pomiaru temperatury, natężenia światła, wrażliwości na światło, wilgotności powietrza, ciśnienia powietrza, pH roztworu itp. Wszystkie te wejścia analogowe są konwertowane przez przetwornik ADC w celu wygenerowania proporcjonalnego wyjścia cyfrowego.

D. Przetwarzanie dźwięku:

-ADC ma istotne zastosowanie w dziedzinie przetwarzania dźwięku. Digitalizacja muzyki poprawia jakość muzyki. Głosy analogowe są nagrywane przez mikrofony. Następnie są przechowywane na platformach cyfrowych za pomocą ADC. Wiele studiów nagrań melodii nagrywa w PCM lub formaty DSD, a następnie próbkowane w dół do cyfrowych produkcji audio. Są używane do transmisji w telewizji i radiach.

Testowanie przetwornika analogowo-cyfrowego

Aby przetestować przetwornik analogowo-cyfrowy, potrzebujemy przede wszystkim analogowego źródła napięcia wejściowego oraz sprzętu elektronicznego do wysyłania i sterowania sygnałami oraz odbierania cyfrowych danych wyjściowych. Niektóre przetworniki ADC wymagają również źródła sygnałów odniesienia. Istnieje kilka parametrów do testowania ADC.

Niektórzy z nich są -

• Stosunek sygnału do szumu (SNR),
• Całkowite zniekształcenia harmoniczne (THD),
• Nieliniowość całkowa (INL),
• Błąd offsetu DC,
• Błąd wzmocnienia DC,
• Rozpraszanie mocy itp.

Układ scalony ADC

Przetworniki ADC są dostępne w handlu jako układy scalone na rynku. Niektóre z powszechnie używanych układów scalonych ADC to ADC0808, ADC0804, MPC3008, itp. Znajdują aplikacje w urządzeniach takich jak Rasberry pi i inne procesory lub Elektronika cyfrowa obwody, w których potrzebny jest ADC.

Dowiedz się więcej o elektronice kliknij tutaj

Sudipta Roy

Cześć, jestem Sudipta Roy. Zrobiłem B. Tech w elektronice. Jestem entuzjastą elektroniki i obecnie zajmuję się dziedziną elektroniki i komunikacji. Interesuję się nowoczesnymi technologiami, takimi jak sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe. Moje teksty skupiają się na dostarczaniu dokładnych i aktualnych danych wszystkim uczniom. Pomaganie komuś w zdobywaniu wiedzy sprawia mi ogromną przyjemność.
Połączmy się poprzez LinkedIn –